• ISSN 1673-5722
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基于韧性设计的一种地下框架结构抗震新体系研究

杜修力 王子理 刘洪涛

杜修力, 王子理, 刘洪涛. 基于韧性设计的一种地下框架结构抗震新体系研究[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(3): 493-501. doi: 10.11899/zzfy20180301
引用本文: 杜修力, 王子理, 刘洪涛. 基于韧性设计的一种地下框架结构抗震新体系研究[J]. 震灾防御技术, 2018, 13(3): 493-501. doi: 10.11899/zzfy20180301
Du Xiuli, Wang Zili, Liu Hongtao. Study of a Seismic New System of Underground Frame Structure Based on Toughness Design[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(3): 493-501. doi: 10.11899/zzfy20180301
Citation: Du Xiuli, Wang Zili, Liu Hongtao. Study of a Seismic New System of Underground Frame Structure Based on Toughness Design[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2018, 13(3): 493-501. doi: 10.11899/zzfy20180301

基于韧性设计的一种地下框架结构抗震新体系研究

doi: 10.11899/zzfy20180301
基金项目: 

国家自然科技基金项目 51421005

详细信息
    作者简介:

    杜修力, 男, 生于1962年。教授。主要从事地震工程与防灾工程领域研究。E-mail:duxiuli@bjut.edu.cn

Study of a Seismic New System of Underground Frame Structure Based on Toughness Design

  • 摘要: 具有功能可快速恢复的抗震结构体系是结构抗震韧性设计的目标,结合浅埋地下框架结构地震破坏和失效模式的震害事例调查与分析以及抗震韧性结构设计的思想,本文提出一种可控制失效模式并具备自复位能力的浅埋地下框架结构抗震新体系。采用数值分析方法研究了传统地下框架结构体系与本文提出的新体系间的抗震能力差异以及新体系的自复位效果。结果表明:与传统的地下框架结构体系相比,新型地下框架结构体系的抗震能力显著提升,并具备良好的自复位能力,实现了结构抗震韧性设计的目标;新体系的自复位效果随轴压比的增加逐渐变差。结合算例,给出了浅埋地下框架结构自复位最大变形能力与轴压比的经验关系。
  • 突发事件对经济和社会的影响较大。由于自然灾害具有难预测、破坏性较大、波及范围广等特点,即使其发生次数仅占突发事件总数的38.34%,但所致死亡人数却占80.29%(张霞,2015)。而地震是造成人员伤亡最多的自然灾害(冯蔚等,2016),如1976年唐山大地震造成近25万人死亡(马宝民,2009)。自然灾害会导致巨大的经济损失和人员伤亡。出现频次较高的自然灾害主要包括干旱、地震、极端温度、极端气候、洪水、滑坡、火山活动、火灾和块体运动(周洪建,2017),本文基于EM-DAT(OFDA/CRED)国际灾害数据库和美国地质勘探局(USGS)给出的数据,分析上述9种自然灾害的年度趋势及其导致的经济损失和人员伤亡情况,并着重分析21世纪以来的重大地震灾害,由此进一步分析可减轻地震灾害损失的可能方法,为防灾减灾决策和政策措施制定提供参考。

    1988年,灾害流行病学研究中心在世界卫生组织和比利时政府的支持下创立EM-DAT国际灾害数据库。该数据库的主要作用是在国家和国际两级进行人道主义服务,并在灾害准备决策、易损性评估和确定优先事项方面提供客观基础。EM-DAT数据库包含从1900年至今全球2万多次大规模灾害发生及影响的核心数据,数据来自联合国机构、非政府组织、保险公司、研究机构和新闻机构等。USGS提供各种开源数据,包括自然灾害及其他地质方面的资料。本文研究的9种自然灾害及重大地震灾害相关资料主要来源于USGS网站。

    直至1970年人们才开始认同灾害风险是自然灾害的直接后果,此后开始逐渐重视灾害风险管理(Ilan等,2018)。本文统计结果如图 1所示,由图 1可知,自然灾害的发生频次总体呈上升趋势,其中洪水和极端气候发生的频次较高,虽呈上升趋势,但造成的影响却不是最大的。图 2所示为1900—2015年9种自然灾害造成的死亡人数,由图 2可知,1900—1909年、1920—1929年、1940—1949年、1960—1969年、1980—1989年由干旱所致的死亡人数占比最大,而2000年后由地震造成的死亡人数最多,仅2008年汶川地震造成6万多人死亡(中国地震局震灾应急救援司,2015)。自然灾害虽造成的死亡人数较多,但整体呈递减趋势。尤其是1950—1959年,死亡人数较1940—1949年下降近一半。一百多年来,亚洲因自然灾害导致的死亡人数最多,占93.4%,远远高于世界其他地区。图 3所示为1980—2018年每年全球自然灾害导致的经济损失,因年代久远的自然灾害经济损失情况差异较大,因此只统计分析近30年的情况。

    图 1  1970—2018年全球自然灾害发生频次
    Figure 1.  The number of global natural disasters from1970-2018
    图 2  全球自然灾害年平均死亡人数(1900—2009年为10年平均死亡人数, 2010—2015年为6年平均死亡人数)
    Figure 2.  The number of global deaths from natural disasters, per year (this is given as the annual average per decade, by decade 1990s to 2000s; and then six years from 2010-2015)
    图 3  全球自然灾害经济损失
    Figure 3.  Global damage costs from natural disasters

    1986—2002年自然灾害影响人数较多,且发生频次较高,其中大部分年份与20世纪末、21世纪初的拉尼娜现象与厄尔尼诺现象大体吻合(龚道溢等,1999)。1987年印度发生的洪水灾害受灾人数高达1800万人,影响最大。1998、1991年全球厄尔尼诺现象特别明显(龚道溢等,1999),导致自然灾害频发,造成严重的经济损失和人员伤亡。根据资料显示,全球自然灾害在1980—1989年造成的年均经济损失高达200亿美元,在1990—1999年间增长到400亿美元,2000年后个别年份的经济损失已超过2000亿美元。虽然自然灾害造成的经济损失和出现频率并不稳定,但总体呈上升趋势,主要因为:经济不断发展;科技迅速发展;信息获取来源可靠度提高;EM-DAT数据库不断完善(蒋卫国等,2006),可能导致数据动态变化。随着时间的发展,重大自然灾害造成的死亡人数和受影响人数波动幅度较大,但未呈现出明显的上升趋势,主要因为灾害防御和应急响应体系不断完善及医疗卫生水平的逐步提高。1998年是自然灾害造成死亡人数最多的一年,其中中国洪水灾害造成的死亡人数最多,导致的受灾人数也较多(见图 2)。

    2000年后地震导致的死亡人数最多(见图 2),因此对2000年后的重大地震灾害进行分析。重大地震数据来源于USGS,USGS定义造成巨大破坏的地震为重大地震事件,至少满足以下标准之一:死亡人数大于等于10人;达到中等破坏程度(经济损失100万美元或以上);震级大于等于7.5级;修正烈度值大于等于X度或产生海啸。图 4所示为2000—2017年中国、美国、日本和全球地震死亡人数的对比,由图 4可知,2008年中国由于发生汶川8.0级大地震,造成的死亡人数与全球地震死亡人数接近;2011年日本发生9.0级大地震,并引发巨大海啸,导致福岛核电站泄露,死亡人数近30000万,此次地震为全球史上第五大地震。美国和日本分别作为全球和亚洲发达国家的代表,都是地震多发的国家,但地震死亡人数少于中国,可见中国等发展中国家抵御地震的能力低于发达国家(Cuaresma等,2008)。

    图 4  中国、美国、日本及全球2000—2017年地震死亡人数对比
    Figure 4.  Comparison of earthquake deaths between China and the United States, Japan and the world from 2000-2017

    选取2000—2017年典型特大地震进行分析(见表 1),包括日本及印度、中国和尼泊尔等。共列举以下8次特大地震:2001年印度7.8级地震(孙振凯等,2001)、2003年伊朗6.5级地震(陈学忠,2004Fu等,2012)、2004年印度洋9.0级地震(林均岐,2005柯长青,2006)、2005年巴基斯坦7.6级地震(曲国胜等,2008)、2008年中国汶川8.0级地震(李小军等,2008谢礼立,2009)、2010年海地7.3级地震(李亦纲,2010)、2011年日本东海岸9.0级地震(冯蔚等,2012韩雅楠,2012邵志刚等,2016Hayes,2011)、2015年尼泊尔8.1级地震(OCHA官方网址,2015)。

    表 1  2000—2017年全球典型特大地震
    Table 1.  Typical global earthquake of 2000—2017
    日期 国家 震级 经济损失 死亡人数   特点(包括人口密集情况、震区经济状况、次生灾害、建筑物情况、民众抗灾防灾意识情况、国家应急救援能力等)
    2001年
    1月26日
    印度 Mw 7.8 约133.3亿美元 约2万人   震中地区最大的城市仅有15万人,人口密度245人/km2,不属于人口密集地区;印度第2个经济发达地区;无次生灾害;建造质量不达标且大部分未设置相应的抗震设防措施;无家可归人口100万,受影响人口1698万;印度政府在应急响应方面的准备不够充分,对灾情的实时评估不准确;缺乏应急反应预案和救灾防灾体系;缺乏受过专业训练的应急救援队伍
    2003年12月
    26日
    伊朗 Mw 6.5 约10亿美元 约4万人   极震区为旅游城市,人口密度高;经济落后;滑塌6000多处,土体滑坡70多处;建筑物抗震性能差,大多无法抵御地震,地基条件差,震中巴姆城约有90%的建筑被毁;当年伊朗地震不断,人民抗震意识差,政府抗震宣传不够;政府缺乏相应的救援能力;缺乏完整的应急救援队伍和机制
    2004年12月
    26日
    印尼苏门答腊 Mw 9.0 约42亿美元(印尼) 约20万人   受灾地区人员密集,很多地区为旅游城市;地震产生近10m的海啸;受难人口近30万;受灾最严重的印度尼西亚约13万间房屋被损毁,约60万人无家可归;印度洋沿岸国家不具备海啸预警系统;涉及国家众多,如印度尼西亚、马来西亚、斯里兰卡和泰国等
    2005年10月8日 巴基斯坦 Mw 7.6 超过
    100亿美元
    约8万人   国家相对落后,政治因素导致应急救援水平不高;克什米尔首府接近70%的房屋倒塌,大多数建筑物无抗震措施;大量土体、边坡、山体及几万个滑坡体分散在灾区各处;从未进行防灾抗灾演习,居民缺乏危机防范意识
    2008年
    5月12日
    中国 Mw 8.0 约1200亿美元 约7万人   震中区域属于人口密集地区;震区经济状况相差较大,导致灾情不同;次生灾害特别是伴生的地质灾害严重,如崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害及其隐患点13000余处,较大的堰塞湖35处;796.7万间房屋倒塌,大部分建筑物受过抗震设计;受灾人口接近5千万人,其中一半以上人口在地震发生后没有房屋可居住;地震危险性评估能力仍处于较低水平
    2010年
    1月12日
    海地 Mw 7.3 数亿美元 约22万人   震中位于人口较密集的城市地区;经济落后;建筑物质量较差,以框架填充墙和未加固的砌体房屋为主,造成大量建筑物倒塌和人员伤亡;极度贫困地区人民以温饱为本,防灾意识薄弱;政府没有相应的应急救援体系
    2011年
    3月11日
    日本 Mw 9.0 约3000亿美元 约1万人   经济发达;次生灾害包括海啸、滑坡和核电站泄漏等;震后3分钟启动海啸预警;长期对民众进行深刻、持久的防灾教育,民众防灾意识强;拥有较完善的应急救援体系
    2015年
    4月25日
    尼泊尔 Mw 8.1 约70亿美元 约0.8万人   灾区人口密度较稀疏;经济落后;次生灾害包括滑坡和崩塌等;约50万间房屋毁坏,建筑施工质量差,几乎未采取抗震设防措施;地震造成800万人受灾;民众应急意识薄弱;专业救援人员和物资缺乏,首都机场的停机位不足10个,严重延缓国际救援的速度
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    2001年印度地震时,救援人员在空中观察受灾地区的村庄和城镇破坏情况,并通过使用航空照片协助救援(孙振凯等,2001),可整体把控实时灾情,且有利于做出应急决策,迅速确定需投入的救援人力、物力。但印度对震级的测定不准确,对死亡人数的估计不到1000人,远小于实际死亡人数,导致应急救援工作迟缓,大大增加了伤亡人数和经济损失。将2003年伊朗地震与美国加利福尼亚州发生的3次大地震(1989年洛马普列塔6.9级地震、1994年北岭6.7级地震和2003年帕索罗夫莱斯6.3级地震)进行对比,美国地震震级比伊朗地震高,但死亡人数仅有125人。自1950年以来,经济滞后国家的地震平均死亡率几乎未发生变化,而经济发达国家的地震平均死亡率下降90%。2004年印度洋地震时,美国某官员曾想发布海啸警告,但受灾地区未建立官方海啸预警系统,最终无法提醒当地民众迅速离开危险地带,从而酿成重灾。故需尽快建立全球海啸预警系统(Schiermeier等,2005),完善灾害预警机制,以有效防止悲剧的发生。在受难民众中,有些人已看到巨浪越来越近,但并未意识到即将到来海啸或意识到之后逃离速度缓慢,以致被海浪卷走丧生(梁凯利,2005)。说明人们在平时缺乏对海啸等其他灾害预防的认识,如何使民众普及抗灾防灾的知识是国际性的重要任务。地震导致道路和桥梁大量破坏,严重影响应急救援工作,可见灾后紧急救援期间生命线系统的重要性(林均岐,2005)。政府应加强在救灾工作中的作用,防止灾后政府工作停滞,增加生命财产损失(林均岐,2005)。在2005年巴基斯坦地震、2010海地大地震和2015年尼泊尔地震中,居民严重缺乏防灾抗灾意识,从未进行过地震演练,且建筑的抗震性能极差,大大增加了人员伤亡数量(曲国胜等,2008)。2008汶川地震后谢礼立(2009)指出:“预防为主的宗旨是要将一切可以减轻灾害的有效措施做在灾害发生之前,一旦发生易导致灾害的自然现象时能尽量减少、甚至杜绝损失,特别是人民的生命和健康的损失。防灾措施一般有灾前的措施和灾后的措施两类,前者如进行有效抗震设防、加固抗震能力薄弱的建筑、普及大众的科学知识,做好应急预案和应急准备等,后者则有震后的生命救援,安置和援助受灾民众以及各种救灾和恢复重建等工作。要防止、减轻和杜绝灾害损失就是要强调做好灾前的措施,灾前的措施做好了,自然灾害的损失就会大大的降低,甚至可以不用或少用灾后的措施。灾后的减灾措施无疑是十分必要的,但灾后的措施应该只是一种补充的措施”。2011日本大地震中,民众受过长期深入持久的防灾抗灾教育,使得地震、海啸和核电站泄漏三重灾害加在一起的人员伤亡数量远少于落后国家发生同等或更小的灾害造成的死亡人数。日本等发达国家认识到造成地震灾害和损失的根本原因是建筑物抗震能力的不足,因此普遍重视提高和增强建筑物的抗震能力(谢礼立,2009)。

    本文基于EM-DAT国际灾害数据库和USGS给出的数据,对近百年全球9种自然灾害进行统计分析。2000年前地震造成的损失并不是最大,但2000年后地震造成的经济损失和人员伤亡在9种自然灾害中均为最多,因此重点分析2000—2017年8次重大地震灾害。对于个人,应提升防灾抗灾意识;对于政府,应不断完善发展应急机制和防灾工程。综上,得出以下有利于减轻地震灾害损失的措施:

    (1)建立地震预警机制。有针对性和有预见性地采取措施,降低破坏程度,从而实现防患于未然的目的。如地震波传播需要一定时间,在地震发生的第一时间通知邻近地区,可有效降低各类损失。当地震次生灾害到来之前,若有完善的预警措施将大大降低人员伤亡。

    (2)建设韧性城市。由于建筑物倒塌是导致人员伤亡和经济损失的主要原因(贾晗曦等,2019),因此传统地震工程主要关注增强建筑物的抗震能力。而现在,地震韧性城市已成为国内外防震减灾工作的共识(陆新征等,2017)。建设韧性城市首先需充分开展学科交叉,利用社会学、经济学和工程学的专业知识进行规划;其次完善信息公开共享机制;最后建立综合考虑功能需求和动态成本管理的基于韧性的抗震设计方法,研发能保障震后功能、减少地震损失的新型建筑工程体系(陆新征等,2017)。

    (3)建立完善的风险排查机制。开展地震工程灾害风险排查工作可综合评估灾害风险隐患和防御能力,主要包括如下内容:基于工程建设标准和设计资料进行核查;进行工程结构检测和危险山体排查等工作;建立完善应急处置预案及相关法律法规,完善应急监测手段,建立应急信息网等。

  • 图  1  固接柱和截断柱构造示意图

    Figure  1.  Details of column structure

    图  2  有限元模型示意图

    Figure  2.  FEM calculation model

    图  3  试件尺寸与配筋图

    Figure  3.  Detailed size set-up and reinforcement of specimens

    图  4  有限元模型边界条件示意图

    Figure  4.  Diagram of boundary condition of FEM model

    图  5  试件变形曲线

    Figure  5.  Deformation curve of specimens

    图  6  试件混凝土等效塑性应变对比

    Figure  6.  Variation of equivalent plastic strain of different specimens

    图  7  不同轴压比作用下试件变形能力曲线

    Figure  7.  Deformation capability curves of specimens under different axial compression ratio

    图  8  不同试件峰值承载力和极限变形能力对比

    Figure  8.  Comparison of peak bearing capacity and limit deformation

    图  9  各试件滞回曲线

    Figure  9.  Hysteretic curves of specimens

    图  10  试件残余变形对比

    Figure  10.  Comparison of residual deformation

    图  11  水平变形-残余变形曲线

    Figure  11.  Plot of horizontal deformation- residual deformation

    图  12  轴压比-自复位最大变形分界线

    Figure  12.  Maximum deformation capability line of axial compression ratio and self-centering

    表  1  模型变化参数

    Table  1.   Parameters of various models

    试件编号 支撑柱结构形式 设计轴压比
    CC1-1 固接柱 0.5
    CC1-2 固接柱 0.7
    CC1-3 固接柱 0.9
    CC1-4 固接柱 1.1
    CC1-5 固接柱 1.3
    CC1-6 固接柱 1.5
    SC2-1 截断柱 0.5
    SC2-2 截断柱 0.7
    SC2-3 截断柱 0.9
    SC2-4 截断柱 1.1
    SC2-5 截断柱 1.3
    SC2-5 截断柱 1.5
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  • 收稿日期:  2018-03-21
  • 刊出日期:  2018-09-01

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